本文选自北大核心期刊《现代城市研究》，《现代城市研究》创刊于1986年，本刊为双月刊，南京市建设委员会主管，南京城市科学研究会主办。国内统一刊号：CN：32-1612/TU，国际刊号：ISSN：1009-6000。
摘要：研究机械化施工中施工机械合理配置的数学模型，以实例计算论证模型是否是正确且有效的，适用于公路路面施工工程的机械设备选型与配置，以及校核公路路面施工机械设备是否达到优化组合，同时对施工工艺提出新的见解。
关键词：公路路面,关键设备,优化组合,理论模型,施工工艺
1、引言
工欲善其事，必先利其器，日益发展的高速公路建设，日益提升的高品质、高性能产品的要求，预示机械化程度越发激烈，以高科技含量为突破口，追求高起点、锁定新目标、求得新发展，是我们筑路人的追求。在公路路面施工工艺中，机械设备是完成各项工程施工的主要工具，是确保工程质量和安全生产、加快工程进度、提高经济效益、改善劳动条件、降低工程成本的重要技术装备。对于整个公路机械化施工系统，施工机械种类杂、数量大，施工环节多，在研究公路路面施工机械设备的重点是沥青混凝土搅拌设备、摊铺设备、运输车辆和碾压设备这四个工艺环节的相互配合问题。一方面，他们之间密切联系又相互制约，任何一个环节配合不当，都会使整个机械化施工系统阻塞和混乱；另一方面，上述四类设备是公路施工的关键机械设备，数量多、投资大、使用范围的局限性较大，绝大部分是专用机械，每一种设备只能完成一、二项或者三、四项性质相近的工程。公路路面施工机械设备的选用受作业内容、地理环境、运距远近、气象条件等各个方面的影响和制约，选用时应遵循以下基本原则：
(1)能与工地的地理环境，当地的气象条件相适应；
(2)满足工程质量标准要求，在施工工艺允许的条件下，尽可能采用重型机械，并保证为其安排足够的工程量；
(3)不破坏周边已有建筑设施和质量；
(4)具有良好的性能及可靠性，能高效完成既定工程量；
(5)机械使用费少，施工单价低；
(6)容易操作，维修方便，可靠性高；
(7)可实现自动化，节约劳动力；
(8)安全性能好，对环境不会造成污染和破坏；
(9)安装调试简便，转场运输容易。
公路路面工程机械化施工是由多种机械设备协同作业，发挥同一工程中多种作业机械的最大经济效益是我们应该深入研究的课题，即对这些施工机械进行优化组合，优化组合的基本原则：
(1)选好既定工程的主导机械，其它机械必须与主导机械进行配套，主导机械在施工工艺中称关键设备（关键设备随着工程的变化而变化）。
(2)尽量减小配套机械设备的数量；
(3)各配套机械设备的工作能力必须相匹配；
(4)采用合理的施工组织方案；
⑸同一作业要尽量使用同一型号的机械，以便管理和维修；
⑹选用最经济的机械优化组合。
关键设备决定施工方式、方法、工程的施工质量和进度，并且在很大程度上决定整套机械生产效益。因此，公路施工机械设备的选型与配置是否合理，对于提高设备利用率、圆满完成施工任务、提高经济效益具有十分重要的意义。为合理配置机械设备，充分发挥单体设备的技术性能并使公路施工机械设备之间的参数匹配合理，减少重复投资造成的浪费，降低能耗，首要的问题是建立优化组合的理论模型。
2、一般优化模型的建立
公路路面施工机械设备的配置应根据路面结构类型、材料种类、施工方法和工艺、工程数量及环境条件、生产工期等确定。路面的施工工序一般采用：沥青混合料拌和一沥青混合料运输一沥青混合料摊铺一沥青混合料初压一沥青混合料复压一沥青混合料终压（图1）。其对应的机械设备分别为沥青混凝土搅拌设备、摊铺设备、运输车辆和碾压设备，关键机械设备为沥青混凝土搅拌设备，其生产能力决定其后续工作所选用机械设备的类型、数量和生产能力。下面以沥青混凝土搅拌设备、摊铺设备、运输车辆三种机械设备(根据施工现场，碾压设备一般不需要进行优化配置)的生产能力等性能参数为中心，以公路路面工程量为基本依据，建立公路路面施工机械优化配置理论模型。
图1
设公路路面工程班所需生产能力(即拌和量)为Qm，则某种公路路面施工机械不同类型的数量分别为N1，N2，N3，…，其性能参数(即台班生产能力)分别为C1，C2，C3，…，为使公路施工实现生产能力Qm，针对某种公路路面施工机械，其总的班生产能力之和必须大于工程班所需生产能力，即必须有下式成立
N1Cl+N2C2+N3C3+…≥Qm(1)
2.1沥青混凝土搅拌设备的生产能力关系
沥青混凝土搅拌设备的班生产能力根据式(1)有
βNjiCjihiaj≥Qm(2)
令aj＝NjiCjihjajβ／Qm
则aj≥1(3)
式中：aj一搅拌设备富余系数；
Nji一搅拌设备的数量，台；
Cji一搅拌设备类型的台班生产能力，t/h；
hj一每班工作时间(工程上一般以12h计)，h；
aj一搅拌设备时间利用系数；
β－为机械设备生产效率因子。
2.2沥青混凝土摊铺设备的生产能力关系
沥青混凝土摊铺设备的理论摊铺能力比拌和能力大得多，但其实际摊铺量取决于摊铺速度、宽度、厚度等三个方面，利用沥青混凝土摊铺设备生产能力的经验公式，根据式(1)得
NpiCpi≥Qm(4)
根据台班生产能力有
Cpi＝Vtγbhhpαp
令B2=Vtγbhhpαp／Qm(6)
由式(4)～(6)得αp＝B2Npi≥1(7)
式中：αp一摊铺设备的富余系数；
Vt一摊铺速度(一般来说，对于下层摊铺速度为2.1～2.7m／min，对于上层摊铺速度为3.08～5.34m／min)，m／min；
γ一沥青混凝土密度，t／m3；
b一摊铺宽度，m；
h一摊铺厚度(分为上层厚度和下层厚度，计算时分开计算)，m；
Npi一摊铺设备的数量，台；
hp一摊铺设备班工作时间，h；
αp一时间利用系数。
2.3沥青混凝土运输车辆的生产能力关系
公路路面施工用沥青混凝土运输车辆一般采用自卸汽车，因拌和站基本上设在标段中点，故考虑到经济性，取经济运距一般为最大运距的80％。根据沥青混凝土运输车辆生产能力，由式(1)有
NqiCqi≥Qm(8)
根据台班生产能力，有
Cqi＝60Ghqklk2／[(t1+2t2+t3+t4)k3](9)
令B3＝60Ghqk1k2／[(t1+2t2+t3+t4)k3Qm](10)
将式(8)～(10)整理得
αq＝NqiGB3≥1(11)
式中：αq一运输车辆的富余系数；
Nqi一运输车辆的数量，辆；
Cqi一运输车辆的生产能力，t／班；
G一运输车辆的载重，t／次；
hq一班工作时间，h；
k1一运输车辆载重利用系数；
k2一运输车辆时间利用系数；
k3一运输车辆备用系数；
t1一摊铺1车料的时间，min；
t2一车辆在搅拌站和摊铺机之间途中行驶的时间，min；
t3一车辆在搅拌场装料及等待的时间，min；
t4一摊铺现场车辆等待卸载的时间，min。
1.4一般优化理论模型
根据上面的推导，得到了在满足公路路面生产能力条件下三种类型机械的富余系数αj、αp、αq的表达式，要使公路路面施工连续进行并保证机械设备充分发挥生产效率，即要求各工序机械的富余系数之差值应最小，并且均不小于1。为此优化目标确定为各工序机械的富余系数之差的平方和最小，即
Rmin＝(αj—αp)2+(αp—αq)2(12)
因此，综合式(3)、(7)、(11)、(13)得到公路路面施工机械优化配置的数学模型如下
Rmin＝(αj—αp)2+(αp—αq)2
而且
由式(13)可以看出，公路路面施工机械的数量和性能参数(如设备的规模)是优化配置的核心，它们相互影响，相互制约，并且受多方面不稳定因素的影响，对于不同公路路面基层各因素的影响程度不一样。
3、模型验证
式(13)为一般公路路面施工机械优化配置的理论模型，对于不同的公路路面，各参数的影响程度不一样，而对于具体的公路路面施工，各种类型设备相应的影响系数就可以确定了。对于一个公路路面施工工程，可以根据式(3)、(7)、(11)分别确定机械设备的性能、数量与公路路面施工规模进行优化配置，再根据约束条件和目标函数计算出优化配置结果。
下面以山东省同三线第十五标段高速公路沥青混凝土路面工程施工为例进行优化配置计算。该路面工程概况为：全长21.6km高速公路，总投资5356.6万元。路面分三层，下层为6cm厚粗粒式沥青混凝土，中层为6cm厚中粒式混凝土，上层为4cm细粒石沥青混凝土，总拌和量为28.4×104t,沥青混凝土路面施工工期为5个月。
该工程所用的沥青混凝土搅拌设备、摊铺设备、运输车辆三种机械设备的实际情况分别为：
沥青混凝土搅拌设备日本生产的NBA240型搅拌设备1台，生产率为200～240t／h；玛莲尼MAP120E190L型搅拌设备1台，产量100～120t／h，两设备产量可达300—360t／h。
沥青混凝土摊铺设备ABG423型摊铺机2台，福格勒S1800型摊铺机1台，理论摊铺能力可达2400t／h，比搅拌能力大得多。但其实际摊铺量取决于摊铺速度、宽度、厚度三个方面，可以根据式(4)、(5)进行计算。
沥青混凝土运输车辆考虑到经济性，避免车辆过多闲置，取经济运距11km(最大运距的80％)，车辆载重15t，运输车辆20台。
利用式(13)进行核验，山东省同三线第十五标段高速公路沥青混凝土路面工程施工机械设备的配置并不优化，两种类型设备其生产能力都有较大富余：以沥青混凝土搅拌设备为例，它的生产能力可达300～360t／h，富余系数αj达到了1.5，造成了较大浪费。在优化计算中，沥青混凝土搅拌设备的生产能力达到200～240t／h，摊铺机富余系数也为1.5（其主要原因是因为当地的特殊施工工艺，摊铺机并机作业、碾压工艺要求很严，同时当地属暖温带半温润季风气候，夏季多雨，摊铺速度、碾压速度和温度比较苛刻，故产生此结果）。
4、结论
根据以上分析及应用结果，可以得到如下结论：
(1)该优化配置理论模型是正确且有效的，在进行公路路面施工机械优化配置时，应以公路路面工程量为基础，在完成施工工程量的前提下，使得各种类型机械设备的富余系数之差为最小，谋求最高的效益。
(2)该理论模型的结构不是固定的，具有分形性，可以根据公路路面工程的实际情况灵活添加项数的因子。
(3)根据该理论模型计算出来的优化配置结果一定要结合公路路面施工的作业内容、地理环境、运距远近、气象条件等实际情况来确定公路路面施工的最佳优化配置方案。
(4)该理论模型可以校核公路路面施工机械设备是否达到优化配置。
